Цветушность сахарной свеклы (Beta vulgaris subsp. Vulgaris var. Altissima d"oll): причины, генетические механизмы и предотвращение (обзор)

Сахарная свекла (Beta vulgaris subsp. vulgaris var. altissima Doll) — универсальная техническая сельскохозяйственная культура. Несмотря на то, что, по сути, единственная цель ее выращивания — получение сахара из корнеплодов, растение перерабатывается практически без отходов. Так, оставшуюся при уборке ботву закладывают в почву как органическое удобрение, отправляют на корм крупному рогатому скоту и свиньям; патоку используют в кондитерском деле, в производстве дрожжей, спирта, лимонной кислоты и т.д.; жом и патока также идут на корм; дефекат можно использовать в качестве известкового удобрения (1).

Сахарная свекла имеет огромное значение в севообороте и служит предшественником для таких сельскохозяйственных культур, как кукуруза, зернобобовые, однолетние травы, просо, ранние яровые зерновые, которые дают более высокие урожаи из-за почвоулучшающего и фитосанитарного положительного действия сахарной свеклы (2). Вместе с тем ценность сахарной свеклы как предшественника зависит от климатических и почвенных условий.

Сахарную свеклу разделяют на три группы: урожайная (крупные корнеплоды с низким содержанием сахарозы), урожайно-сахаристая (среднего размера корнеплоды со средним показателем по сахарозе) и сахаристая (относительно небольшие корнеплоды с повышенным накопление сахарозы). Благодаря работе селекционеров содержание сахара в корнеплодах свеклы поднялось с 1,3 % с того времени, когда его обнаружили в корнях, до 17-20 % (3, 4).

В 2017-2022 годах в мире в среднем ежегодно производили 275 млн т сахарной свеклы при общей посевной площади около 4,6 млн га (5, 6). Хотя статистические данные за этот период показывают, что Европейский союз в целом можно назвать лидером по производству сахарной свеклы (средний валовый сбор около 113 млн т при средней посевной площади 1,5 млн га), при анализе вклада каждого государства в отдельности первенство в этой отрасли демонстрирует Российская Федерация (средний валовый сбор около 44 млн т при средней посевной площади 1,1 млн га) (5-7). Во Франции за тот же период ежегодный сбор этого корнеплода составил примерно 36 млн т, в Германии и США — около 30 млн т (6). На долю сахарной свеклы приходится примерно 20 % мирового производства сахара (5), а в России эта культура остается единственным источником отечественного сырья для производства сахара (8).

В 2022-2023 годах в России сахарную свеклу выращивали в 24 регионах и перерабатывали на 65 сахарных заводах в 18 регионах. Валовой сбор сахарной свеклы в РФ вырос на 15 % и вернулся к значениям 2011 года (первый постсоветский пик) (9). Наиболее благоприятные регионы для культуры — черноземы на юге страны (Краснодарский край, Поволжье, Черноземье), Северный Кавказ и Приволжье.

Одна из актуальных проблем полевого фабричного двухлетнего возделывания культуры — так называемая цветушность, то есть стрелкование и цветение в первый год жизни растения. Если в процессе производства семян сахарной свеклы цветение необходимо, то при выращивании культуры на корнеплоды нужны сорта, которые не вступают в эту стадию развития.

Нашей целью был систематический обзор публикаций по проблеме цветушности, причинам ее возникновения и методам борьбы с ней у сахарной свеклы.

Задачи и проблемы селекции и семеноводства сахарной свеклы в России. Сахар — незаменимый ресурс быстродоступной энергии для человека. С ростом населения планеты увеличивается и мировой спрос на сахар. Несмотря на то, что в РФ под сахарной свеклой заняты самые большие в мире посевные площади, урожай с них собирается в разы меньший, чем в странах с меньшими площадями посевов. Так, в среднем за 2017-2022 годы урожайность сахарной свеклы в России составила 425 ц/га, в то время как во Франции — 812 ц/га, в Германии — 745 ц/га (в среднем по Европейскому союзу — 735 ц/га), в США — 682 ц/га, то есть 74

примерно в 1,5-2 раза выше, чем в России (5-7).

Кроме того, при лидирующих позициях России по площади посевов сахарной свеклы в последние годы более 90 % из них засевается импортным семенным материалом (10). Это обусловлено, в том числе, зарубежными прогрессивными агротехнологиями, исключающими ручной труд, и вытекающими из этого требованиями к подготовке и качеству семян (шлифовка, калибровка, дражирование, приближающаяся к стопроцентной всхожесть и т.д.) (11).

Однако при том, что урожайность у импортных гибридов и сортов выше, чем у отечественных, оказалось, что зарубежные гибриды подвержены болезням, например корневым гнилям в условиях избыточного увлажнения, и не накапливают в корнеплодах заявленный производителем процент сахаристости. Отечественные сорта и гибриды по сравнению с зарубежными характеризуются большей устойчивостью к абиотическим и биотическим стрессовым факторам среды и имеют лучшую лежкоспособность, то есть потери сахара при хранении у них меньше (12, 13). Такой селекционный потенциал должен быть использован. Следовательно, отставание в методологии научных исследований и торможение практического применения селекционных и семеноводческих разработок недопустимы, так как это увеличит зависимость наших хозяйств от зарубежных поставщиков семян и негативно скажется на экономической и технологической устойчивости свеклосахарного комплекса страны (10, 14). В 2016 году из 33 новых гибридов, включенных в Государственный реестр селекционных достижений, только три были отечественными: Азимут (создан на Первомайской селекционно-опытной станции сахарной свеклы, Краснодарский край) рекомендован для возделывания на Кубани, средняя урожайность 496 ц/га; Конкурс (выведен на Льговской опытно-селекционной станции, Курская обл.) предназначен для выращивания в Центрально-Черноземном районе, имеет урожайность 421 ц/га; РМС 127 (зарегистрирован ВНИИ сахарной свеклы им. А.Л. Мазлумова, Воронежская обл.) характеризуется урожайностью от 324 до 720 ц/га в зависимости от района возделывания (15).

В настоящее время государственные цели и задачи ориентированы на селекцию конкурентоспособных гибридов, не уступающих зарубежным аналогам или превосходящих их по урожайности и качеству, устойчивых к абиотическим стрессам и болезням, на разработку эффективных технологий возделывания, хранения и переработки сахарной свеклы и на обеспечение отрасли качественными семенами для уменьшения зависимости от иностранных гибридов (КПНИ РФ «Развитие селекции и семеноводства сахарной свеклы», подпрограммы «Развитие селекции и семеноводства сахарной свеклы в Российской Федерации» Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы). При создании односемянных гибридов на основе цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) важно достигнуть уровня урожайности многоростковых сортов и гибридов по таким показателям, как форма семян, энергия прорастания и полевая всхожесть (16-18). Агрохимически активные сорта сахарной свеклы позволят получить больше органического вещества на единицу внесенных удобрений (19). Толерантность гибридов к конкретному гербициду позволит сократить объемы применения гербицидов (20), а толерантность к стрессовым кислым почвам, засухе и тяжелым металлам — расширить ареал возделывания культуры (21, 22). Для создания сортов, устойчивых к болезням и неблагоприятным условиям, в скрещиваниях используются дикорастущие сородичи свеклы в качестве доноров ценных признаков (23, 24). Важный инструмент селекции сахарной свеклы — разработка молекулярных маркеров для генотипирования линий и гибридов, что помогает усовершенствовать селекционный процесс (25). Нужны гибриды с широким географическим ареалом возделывания, в том числе в северных районах (проблема холодостойкости), с высокой продуктивностью, качеством продукции и не склонные к цветушности (26).

Проблема цветушности сахарной свеклы. Сахарная свекла характеризуется двухлетним циклом развития: в первый год жизни она образует вегетативные органы (укороченный стебель, корнеплод, листья), во второй — формирует цветонос, на котором образуются семена. При традиционной промышленной селекции сахарной свеклы получили распространение безвысадочный, высадочный и пересадочный (штеклин-говый) способы получения семян, когда в первый год жизни из высеянных семян получают маточные корнеплоды (маточники), а на второй — семена (11). Обычно листья и цветоносные побеги отрастают у высаженных в почву корнеплодов на второй год вегетации из спящих пазушных почек, заложенных в первый год при высокой температуре. Дальнейшее понижение температуры до 0.+8 ° С провоцирует развитие последних. В естественных условиях это понижение происходит зимой, а весной второго года почки дают цветоносные побеги. Однако в некоторых случаях процесс может протекать и в первый год жизни растений, что приводит к стрелкованию и последующему цветению, то есть к цветушности.

На каждый 1 % цветух приходится снижение урожайности на 0,50,7 % (27). В корнеплодах цветушной свеклы уплотняются клеточные стенки с образованием повышенного количества лигнина. Такие корнеплоды плохо изрезываются в стружку из-за избыточной волокнистости. Корнеплоды цветушной свеклы значительно отличаются от обычных не только по химическому составу, но и увеличенной массой головки (20-22 % массы корнеплода против 11-13 %), повышением деревянистости и содержания мелассообразующих веществ, снижением сахаристости и меньшей чистотой свекловичного сока. Цветушная свекла, особенно ранняя, более подвержена болезням и неустойчива при хранении из-за большего поражения кагатной гнилью (28-30).

Непосредственно на полях даже незначительное, на первый взгляд, количество цветушных растений может создать большие проблемы. Особенно опасна ранняя цветуха, которая становится предшественником злостного сорняка — сорной (дикой) свеклы, поскольку осыпавшиеся семена могут пребывать в почве десятки лет без потери всхожести. Семена, прошедшие яровизацию, произвольно прорастают в рядках и междурядьях, стрелкуются в 100 % случаях, образуют многочисленные семенники и вновь многократно засоряют поля, выигрывая в борьбе за питательные вещества и угнетая растения культурной свеклы. Это приводит к потере продуктивности и может парализовать переработку корнеплодов на заводе. На зараженных сорняком полях распространяются специфические свекловичные болезни и вредители (31).

Исследования на модельных растениях показали, что регуляция цветения сложна и включает множество путей, которые зависят как от экологических, так и от эндогенных сигналов (32). Причины цветушности могут быть внешними (влияние температурного и светового режимов, минерального питания, гербицидов и т.д.) и внутренними (генетически обусловленными).

Внешние факторы возникновения цветушности. Цве-тушность сахарной свеклы может быть обусловлена сверхранним посевом, продолжительным низкотемпературным влиянием, так называемой ярови- зацией (0...+10 °C в течение 1-6 нед, часто в низинах, особенно в период развертывания семядольных листьев и появления настоящих) (33), продолжительностью освещения более 12 ч, качеством и интенсивностью освещения (34).

Одна из основных причин появления цветушности свеклы — чрезмерно ранний посев, затяжные холодные весны с резким похолоданием без осадков. В этом случае высеянные семена лежат в земле до 40 сут и успевают пройти стадию яровизации — приобретения или ускорения способности к побегообразованию и цветению в результате длительного пребывания при низких температурах. Например, в 1974 году в Винницкой области Украины весна была сухой и холодной. Поле засеяли свеклой 28 марта, затем из-за плохих всходов частично пересеяли 13 мая. При уборке на участке раннего посева обнаружили 27 % цветушной свеклы, а на пересеянных участках ее не было вовсе (28).

По данным Всесоюзного НИИ сахарной свеклы (2), с распространением посевов на север цветушность повышается из-за понижения температуры воздуха, удлинения светового дня и насыщения света длинными волнами (так называемый дальний красный спектр), что провоцирует синдром избегания тени, когда стебель резко вытягивается по направлению к источнику света. Например, при посеве одного и того же сорта свеклы в Вологодской области (продолжительность светового дня в июне 20 ч 05 мин) и в Киргизстане (15 ч 10 мин) цветушность составила соответственно 10,2 и 0,01 % (28).

Несколько исследователей указывают на связь между ростом и развитием растения и преждевременным стрелкованием. Например, существует положительная корреляция между долей цветушных растений и плодородием почвы или между долей цветушных растений и поливом. Кроме того, замечена связь между внесением удобрений, гербицидов, минеральным питанием (35, 36), особенно после яровизации, и развитием цветоносов, причем наиболее сильное влияние оказывают азотные удобрения (28). Также сообщается о том, что снижение плотности растений приводит к большему количеству стрелкующихся (37). Складывается впечатление, что благоприятные условия выращивания, в особенности после яровизацион-ного воздействия, способствуют преждевременному стрелкованию сахарной свеклы, причем цветушность сильнее проявляется при более высоком урожае (36, 38). И хотя существует несколько указаний на взаимосвязь между быстрым ростом и цветением, производители вряд ли будут ограничивать цветение посредством радикального изменения методов выращивания, так как меры против цветения могут снизить урожайность.

Важно отметить, что помимо яровизации установлен феномен деяровизации («обращения вспять»). В годы с возвратом весенних заморозков после появления всходов, но с последующим быстрым наступлением теплого периода процент цветух оказался ниже, чем в годы, когда заморозков не было, но растения длительно находились при пониженных температурах (36).

У односемянных сортов и гибридов свеклы холодостойкость ниже и цветушность, соответственно, выше, чем у многосемянных (28). Наиболее цветушными оказываются односемянные тетраплоидные формы, за ними следуют односемянные диплоидные формы, многосемянные тетраплоид-ные (в литературе наряду с понятием одно- и многосемянности можно встретить термины раздельно- и сростноплодность, одно- и многоростко-вость). Многосемянные диплоидные сорта наименее склонны к цветуш-ности из-за лучшей селекционной проработки (18). Кроме того, отмечено влияние величины плодиков на проявление цветушности: крупные раньше формируются, развивающиеся из них проростки быстрее прорастают и дольше яровизируются (38).

Математические модели предсказания цветушно-сти. Прогнозирование процента цветушности в посевах в зависимости от внешних факторов, таких как длина светового дня и температура, во многом зависящих от даты посева, — важная задача для планирования агротехнических мероприятий. Время высева может влиять на сахаристость, урожайность и время уборки, которое, в свою очередь, связано с работой сахарных заводов (39-41).

В Великобритании для определения ожидаемой пропорции стрелкующихся растений сахарной свеклы в поле применяли модель «прохладного дня», в которой процент стрелкующихся растений объясняется числом суток с максимальной температура воздуха меньше 12 ° С (27).

Позже G.F.J. Milford с соавт. (34) предложил следующие уравнение, для расчета поправочного коэффициента продолжительности яровизации (vernalization weighting) [1]:

у = - 1,256 + (1,260 + 0,131x)- 0,9357^х,                     [1]

где y — поправочный коэффициент продолжительности воздействия, на который умножается время (часы) яровизации; у зависит от x — реальной температуры в конкретный час (34).

Обычно массовый переход растений на делянке или в вегетационном опыте к стрелкованию происходит после некоего порогового значения суммы взвешенных часов яровизации, когда пропорция стрелкующихся растений резко возрастает. Этот параметр назван «требованием яровизации» (vernalization requirment, VR).

Ожидаемая пропорция стрелкующихся растений (y) определяется согласно уравнениям [2] и [3]:

у = 0, когда VI <  VR,                                [2]

y = BS (VI•VR), когда VI > VR,                        [3]

где BS (чувствительность к стрелкованию, bolting sensitivity) — пропорциональное увеличение стрелкующихся растений с каждым 10-часовым увеличением сверхпороговой яровизации, VI (интенсивность яровизации, vernalization intensity) — накопленное число взвешенных часов яровизации между посевом и концом июня.

T. Chiurugwi с соавт. (42) с помощью этой модели определили максимально раннее время посева сахарной свеклы в Великобритании, позволяющее с 95 % вероятностью избежать цветушности. Отметим, что для использования модели в условиях России необходим перерасчет показателей. Кроме того, модель требует включения новых коэффициентов, таких как продолжительность светового дня, чтобы ее можно было использовать как для полевых прогнозов, так и для опытов в контролируемых условиях камер искусственного климата.

Е. Mutasa-Gottgens с соавт. (43) определяли время стрелкования как функцию от высоты цветоноса и накопления теплового времени при температурном пороге 3 ° С (thermal time accumulation, число суток после яровизации с температурой выше 3 ° С, помноженное на среднюю температуру за сутки), используя уравнение [4], разработанное J. Goudriaan с соавт. (44):

H = (c/r)ln(1 + exp[r(0 - 0b)],                           [4]

где H — высота цветоноса, θ — накопленное тепловое время с момента окончания яровизации, r — начальная относительная скорость роста, c — максимальная абсолютная скорость роста, θb — накопленное тепловое время, при котором цветонос переходит от экспоненциального роста к линейному.

Модель может быть полезна в экспериментах с различными генотипами для определения теплового времени, необходимого для стрелкования после яровизации.

Внутренние факторы возникновения цветушности. Генетический контроль цветения у сахарной свеклы сложен и пока что изучен не полностью, несмотря на значительный объем данных, полученных разными группами исследователей. К настоящему времени предложено несколько моделей генных сетей, регулирующих цветение, в которых помимо генов и белков-регуляторов, взаимно терминириующих или активирующих друг друга при цис- и транс-взаимодействиях, участвуют эпигенетические и гормональные механизмы, запускаемые внешними сигналами, такими как фотопериод и яровизация.

Центральным геном в генетической системе перехода к цветению у сахарной свеклы считается BvBTC1 ( BOLTING TIME CONTROL 1 ), расположенный в локусе B . BvBTC1 относится к генам-регуляторам псевдоответа ( PRR ) и гомологичен гену арабидопсиса PSEUDO RESPONSE REGULATOR 7 ( PRR7 — ближайший гомолог гена чувствительности к фотопериодизму у злаков PPD1 ). BvBTC1 кодирует белок, несущий домен регулятора ответа receiver (REC) (45), а также домены чувствительности к фотопериодизму CONSTANS (CO), CONSTANS-Like и TOC1 (CCT) (46).

Другой ген, связанный со стрелкованием, был клонирован из локуса B2 и назван BvBBX19 ( DOUBLE B-BOX TYPE ZINC FINGER ). В генной сети BvBBX19 является вышестоящим относительно BvBTC1 и влияет на него эпистатически (47). Однолетним жизненным циклом характеризуются растения, несущие одновременно функциональные аллели BvBTC1 и BvBBX19 . Как BvBBX19, так и BvBTC гомологичны белку CO арабидопсиса, индуцирующему экспрессию гена FT . Однако в отличие от CO, BvBBX19 несет два домена типа цинковых пальцев (B-box), но у него отсутствует домен CCT; белок BvBTC, наоборот, несет домен CCT.

Два гена FLOWERING LOCUS T ( FT ) — BvFT1 и BvFT2 относятся к семейству генов фосфатидилэтаноламин-связывающего белка (PEBP), расположены в генной сети ниже BvBTC1 и BvBBX19 , следовательно, экспрессия BvFT1 и BvFT2 контролируется продуктами экспрессии BvBTC1 и BvBBX19 (47, 48). BvFT1 и BvFT2 — это гены-антагонисты: в то время как BvFT2 способствует цветению и необходим для развития цветков (подобно его гену-ортологу у арабидопсиса FT ), BvFT1 действует как репрессор цветения (в отличие от FT арабидопсиса). N. Dally с соавт. (49) предположили, что функциональные белки BvBTC и BvBBX19 образуют гетеродимер, содержащий одновременно как CCT-, так и B-box домены. Он приобретает способность повышать экспрессию гена-индуктора цветения BvFT2 и ингибировать экспрессию гена-репрессора цветения BvFT1 , что обусловливает однолетний тип развития. При дисфункциональных мутациях BvBTC и BvBBX19 утрачивают эту способность, что приводит либо к двухлетнему фенотипу, либо к полной потере способности формировать цветонос.

На основе анализа коэкспрессии множества генов сахарной свеклы в листьях была предложена модель из двух модулей для описания перехода растений к цветению (50). Первый модуль включает четыре гена фотопериодического пути ( BvELF3 , BvGI , BvTOC1 и BvBOA ), три гена автономного пути ( BvFVE1 , BvFLD и BvFCA ) и BvBTC1 . Все гены служат позитивными регуляторами друг относительно друга, за исключением BvFVE1 , экспрессия которого негативно коррелировала с BvELF3 (51). Во втором модуле BvFT1

и BvFT2 были связаны с BvLHY , BvGATA22 и BvFVE2 . BvGATA22 показал отрицательную обратную связь с активатором цветения BvFT2 и положительную обратную связь с ингибитором цветения BvFT1 . Экспрессия последнего также положительно коррелировала с экспрессией BvLHY и BvFVE2 .

Также установлено, что гены сахарной свеклы, ортологи которых у арабидопсиса связаны с гормональным статусом, меняют уровень экспрессии при яровизации и/или устойчивости генотипов к цветушности. Среди них — гены гиббереллинового пути BvGA20ox1 , BvGA20ox2 , BvRAV1-like , BvRAV1, BvDELLA и BvRGA , а также цитокинин-зависимый ген BvGATA22 (42, 51-53).

Показано, что в ответ на яровизацию наблюдается дифференциальная экспрессия генов пути яровизации, таких как BvVRN1 , BvVRN1-like , BvVAL1 , BvVAL2 , BvVIN3 (54, 55). Кроме того, продемонстрировано участие малой интерферирующей РНК miR156 и длинной некодирующей РНК MSTRG.26204.1 в процессах яровизации (56, 57). Выявлено, что в процессе яровизации участвуют метилтрансферазы BvDNMT и BvRNMT, представляющие собой факторы эпигенетических модификаций соответственно ДНК и РНК (54, 58, 59). На основании комплексного подхода, учитывающего как дифференциальное метилирование, так и экспрессию, была составлена модель, в центре которой находится “ядро” BvBTC1 - BvFT1 - BvFT2 . Выше располагается блокатор цветения BvFL1 , активируемый BvRNMT и ингибируемый BvFVE и длительной яровизацией (9 нед). ВvFT2 (активатор цветения) положительно регулируется BvCOL1 и положительно регулирует экспрессию BvAGL24 и BvFUL . BvCOL1 и BvBTC1 также положительно регулируются продолжительностью светового периода. При этом у неустойчивых к цветушности генотипов гены BvRNMT , BvFVE , BvFL1 , BvFT1 и ВvFT2 гиперметилированы (59).

Изучение линий, полученных с помощью мутагенеза, индуцированного этилметансульфонатом (ЭМС), и естественного аллельного разнообразия сахарной свеклы и ее дикорастущего сородича — морской свеклы ( Beta maritima L.) позволило найти новые локусы, определяющие требования к яровизации, одно- или двухлетний жизненный цикл или сроки цветения. На II хромосоме были выявлены два несцепленных между собой локуса, LB и LB2 , в рецессивном состоянии формирующие позднецветущий фенотип (60, 61). B. Buttner с соавт. (62) выявили два локуса B3 и B5 , влияющие на сроки цветения, не сцепленные с локусом BvBTC1 . S.F. Abou-Elwafa с соавт. (63) обнаружили на расстоянии 11 cM от локуса B на II хромосоме локус B4 , определяющий требования к яровизации. Y. Kuroda с соавт. (64) выявили доминантный ген B LOND , носители которого формируют семена за 4 мес при 24-часовом световом дне без яровизации. N. Pfeiffer с со-авт. (65) выявили на IX хромосоме QTL (quantitative trait loci) BR1 , ассоциированный с устойчивостью к цветушности после зимы, для которого C. Tran-kner с соавт. (66) назвали BvCPSF73 - Ia наиболее вероятным геном-кандидатом, а также обнаружили дополнительный ген-компенсатор BvCPSF73 - Ib .

N. Pfeiffer с соавт. (67) выявили три QTL, на III (DTBnat1-DTBart1), V (DTBnat2-DTBart2) и IX (DTBnat3) хромосомах, которые влияли на время перехода к стрелкованию. У свеклы на VI хромосоме был обнаружен тандемно дуплицированный локус Bv_22330_orky, в интроне которого SNP183 (single nucleotide polymorphism) оказался ассоциирован с предрасположенностью сахарной свеклы к цветушности (68). Y. Kuroda (69) в непосредственной близости от этого SNP выявил QTL qB6, ассоциированный с устойчивостью к цветушности, который, как полагает автор, может соот- ветствовать ранее описанным генам BvFL1 или Bv_22330_orky. S. Ravi с со-авт. (70) нашли в геноме сахарной свеклы два SNP, ассоциированных с низкой склонностью к цветушности: SNP_36780842 на I хромосоме в 3´ UTR гена, гомологичного генам суперсемейства chaperone-J-domain, которые участвуют в контроле цветения, и SNP_48607347 на II хромосоме в экзоне 3 гена изомеразы ксилозы, вероятно, участвующей в модуляции эндогенного количества сахаров, важного для сигналинга при переходе к цветению. Y. Kuroda (69) показал минорные QTL, ассоциированные с цветушностью, в том числе qB1 на I хромосоме рядом с QTL SNP_36780842. Также были найдены минорные QTL qB8 на VIII хромосоме и qB9 на IX хромосоме.

Кроме ядерных генов, у митохондриальных генов ORF152 , ORF102b , ORF192 , ORF104 и COX2 также установлена дифференциальная экспрессия и/или метилирование (59) .

Переход к цветению сопровождается комплексными изменениями гормонального статуса растения. Среди гормонов, связанных с яровизацией, значительная роль принадлежит гибберелловой кислоте (ГК). Это показано в работах, посвященных влиянию гормонов на переход растений сахарной свеклы к стрелкованию и цветению в зависимости от генотипа и условий выращивания, особенно температуры и длины светового дня.

E.S. Mutasa-Gottgens с соавт. (71) продемонстрировали, что генотипам BB и Bb для стрелкования требуется длинный световой день, независимо от гиббереллинового статуса, в то время как двухлетние генотипы bb требуют яровизации для ГК-обусловленного перехода к стрелкованию. Для перехода от стрелкования к цветению обоим генотипам требуется длинный световой день, при этом содержание ГК не служит лимитирующим фактором. Y. Koda с соавт. (72) установили, что экзогенная жасмоновая кислота (ЖК) приводит к утолщению главного и в большей степени боковых корней, ингибированию стрелкования, вызванного обработкой ГК и яровизацией. Содержание ЖК в верхушечных листьях у растений в поле повышалось в течение лета, достигая пика в августе и снижаясь в сентябре. N. Liang с соавт. (73) продемонстрировали на растениях, выращенных из яровизированных корнеплодов, что после яровизации наблюдается повышение количества ГК и индолилуксусной кислоты, сопряженное с накоплением белков ауксинового сигналинга GH3.1 и гиббереллинового сигналинга GA3OX1. Стрелкование происходит, вероятно, по достижении определенной концентрации этих гормонов.

Экспрессия гена BvRAV1-like возрастала после яровизации в 2,5 раза и дополнительно в 3 раза после обработки растений сахарной свеклы гиббереллинами. В отсутствие яровизации обработка гиббереллинами снижала экспрессию этого гена (53). E.S. Mutasa-Gottgens с соавт. (53) выявили 19 генов, дифференциально экспрессирующихся под воздействием ГК-обработки. Согласно L. Zhao с соавт. (52), яровизация подавляет экспрессию BvABFs и BvMYC2s , что подразумевает ингибирование сигналинга асбцизо-вой и жасмоновой кислот.

Агротехнические приемы борьбы с цветушностью. Основными методами борьбы с цветушностью сахарной свеклы остаются оптимальные сроки посева, соблюдение требований агротехники, использование устойчивых гибридов и сортов в регионах согласно рекомендациям (28). Даже самый продуктивный по генотипу гибрид будет показывать неудовлетворительные характеристики, если использовать семена, плохо подготовленные на семенном заводе и полученные с нарушениями агротехнических требований (74).

Российская Федерация — страна с неодинаковыми почвенно-климатическими условиями в каждой зоне свеклосеяния, то есть сорта и гибриды должны, помимо прочего, отвечать определенным специфическим требованиям. Для Центрально-Черноземной зоны необходимы засухоустойчивые и скороспелые сорта, для южных территорий — отзывчивые на орошение, позднеспелые и устойчивые к церкоспорозу, для северных регионов — нецветушные (18). Установлено, что сорта свеклы, которые создавались для северных широт, не образуют цветушных растений, тогда как произведенные для средних широт могут давать до 10 % цветухи, происходящие из южных стран — 10-50 %, а из наиболее южных и жарких стран — до 100 % (36). Как правило, своевременное уничтожение на полях ранних цветущих растений в период от стрелкования до бутонизации избавляет севооборот от засорения дикой свеклой. Это эффективный и дешевый способ, аналогичный ручной прополке на зерновых культурах. Также при испытаниях целесообразно выявлять и учитывать цветушные растения наряду с оценкой продуктивности (31).

Запатентовано несколько способов химической обработки семян сахарной свеклы для борьбы с цветушностью и выведения устойчивых к преждевременному зацветанию образцов. Сюда входит обработка семян раствором трефлана с хранением при +8...+10 ° С и последующим подзимним посевом: весной происходит элиминация цветушных растений, а нецветуш-ные сохраняются до конца вегетации и используются в качестве исходного материала с устойчивостью к цветушности (75). Другим вариантом служит обработка семян раствором хлорхолинхлорида (ретардант ТУР), которая задерживает первоначальное формирование проростка, в результате чего весеннее развитие свеклы происходит уже при более высокой температуре и число цветушных растений снижается в 1,6-4,2 раза, а урожай увеличивается. Способ рекомендован для северных районов (76). Предлагается также использование паклобутразола — регулятора роста растений и ингибитора гибберелловой кислоты, что снижает процент стрелкования, увеличивает содержание сахара и улучшает качество корнеплодов в зависимости от генотипа сахарной свеклы (77, 78).

Селекционные методы создания сортов, устойчивых к цветушности. В селекционной практике применяются несколько методов для отбора нецветушного материала: подзимний посев, когда температура воздуха держится около 0 ° С, а температура почвы снижается до +2.+4 ° С (такой способ используют во ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова на некоторых опытно-селекционных станциях); метод сверхраннего посева; отбор на яровизированной рассаде в условиях длинного дня (разработка Н.А. Неговского); посев длительно яровизированными (от 45 до 60 сут) семенами (особенно эффективен в западных и северо -западных районах); негативный отбор скороспелых высадков; отбор в условиях полярного дня на полярной станции ВИР. Наиболее эффективен отбор внутри популяции (18).

А.В. Логвинов с соавт. (36) разработали и применили на практике в условиях Краснодарского края надежные способы оценки и отбора устойчивого к цветушности исходного селекционного материала и коммерческих гибридов. Использовали подзимний и ранневесенний сроки посева. Цве-тушные растения учитывали в июне и в сентябре перед уборкой. Раздельноплодные формы проявляли цветушность (в основном раннюю) в большей степени, чем сростноплодные. Среди гибридов лучшие результаты по устойчивости к цветушности показали Вектор и Атаманша (0 %). Дальнейшие исследования продемонстрировали, что эффективным приемом оценки и получения селекционного материала, устойчивого к цветушности, служит провокационный ранневесенний посев семенами, пророщенными при +9 °С или обработанными водным раствором гербицида Бурефен ФД-11 (концентрат эмульсии, действующее вещество десмедифам 80 г/л и фенме-дифам 80 г/л, ФГУП «ВНИИХСЗР», Россия) при концентрации рабочего раствора 5 мл/л (36).

Сравнительное изучение и оценку селекционного материала сахарной свеклы по устойчивости к цветушности провели А.В. Логвинов с соавт. (30) (ФГБНУ Первомайская селекционно-опытная станция сахарной свеклы, Краснодарский край и РУП Опытная научная станция по сахарной свекле, Республика Беларусь) с помощью специально разработанной методики провокационных фонов. Подзимний и ранневесенний посевы осуществляли семенами, предварительно замоченными в воде и выдержанными в течение 20 сут при +3 ° С. Наибольшую устойчивость к цветушности отмечали у гибридов Первомайский и Корвет (30). Также можно использовать посев яровизированных пророщенных семян в теплице при дополнительном освещении для выделения из популяции свеклы нецветушные формы (38). А.В. Корниенко с соавт. (79) предлагают создавать провокационный фон посредством внесения в почву смеси гербицидов эптама и ленацила, что усиливает проявление цветушности на 20 %, и отбирать нецветушные формы. Для поддержания в генетических коллекциях так называемых упрямцев разработан способ культивирования с многоуровневой системой отбрако-вок (80).

Изучение генетического разнообразия сахарной свеклы позволяет выявить новые доноры устойчивости к цветушности. Е.С. Кутняхова с соавт. (81) в 2012-2014 годах в результате оценки гибридов сахарной свеклы селекции компании «Lion Seeds Co., Ltd.» (Таиланд) и ВНИИСС им. А.Л. Маз-лумова установили, что у половины образцов проявлялась цветушность (от 0,4 до 1 %). В.И. Буренин с соавт. (82) при оценке коллекции ВИР установили, что наибольшей устойчивостью к цветушности характеризуются образцы из Швеции; также отмечаются успехи селекционеров из Германии в создании раздельноплодных (односемянных) образцов, устойчивых к цве-тушности.

Маркер-опосредованный отбор устойчивых к цветуш-ности растений. Маркер-опосредованная селекция по какому-либо признаку опирается либо на функциональные маркеры аллельных полиморфизмов генов с известными последовательностями, либо на маркеры, сцепленные (ассоциированные) с признаками. Если в первом случае последовательность генов и фенотипическое проявление аллелей известны, то во втором информация о структуре гена и функциональной роли найденного нуклеотидного полиморфизма чаще всего отсутствует. Особенностью изученных функциональных генов, регулирующих цветение у сахарной свеклы, служит наличие множества полиморфизмов между аллельными вариантами, включая SNP и инделы, что позволяет называть их гаплотипами.

B. Buttner с соавт. (83) разработали кодоминантный маркер GJ1001c16, который позволяет отличать доминантный аллель BvBTC1 (однолетний жизненный цикл) от рецессивного; маркер был апробирован во многих работах с расщепляющимися популяциями для поиска альтернативных генов яровизации (53, 63, 67, 84).

Для аллеля, полученного в результате ЭМС-индуцированного мутагенеза и приводящего к двухлетнему фенотипу, был разработан CAPS маркер CAU4206 (праймеры NH619 + NH620 и рестриктаза HinfI) (85). Y. Kuroda с соавт. (86) разработали праймеры F2/R2, которые дают воз- можность амплифицировать последовательность между экзонами 7 и 9. Использование рестриктазы HhaI позволило различать аллели a (двухлетний тип развития), g и o (однолетний тип развития). У сахарной свеклы хорошо описано аллельное разнообразие BvBTC1, его нуклеотидные последовательности находятся в публичном доступе (85-88), поэтому будут разрабатываться новые молекулярные маркеры полиморфизмов, характерных для тех или иных аллелей. Для анонимных участков генома, ассоциированных с устойчивостью к цветушности, можно отметить TaqMan-маркер однонуклеотидного полиморфизма SNP18 (аллельный вариант T ассоциирован с устойчивостью к цветушности, C — с неустойчивостью) (68), а также два HRM (high resolution melting) маркера — SNP/SNP_36780842 (аллель G ассоциирован с устойчивостью к цветушности, аллель С — с неустойчивостью) и SNP21/SNP_48607347 (аллель С ассоциирован с устойчивостью к цветушности, аллель А — с неустойчивостью) (70).

Мутагенез и генная инженерия при создании устойчивых к цветушности растений. Для создания новых высокоадаптивных селекционных форм сахарной свеклы необходимо расширить ее аллельное разнообразие, в том числе по генам, определяющим требования к яровизации, чувствительность к длинном световому дню и устойчивость к стрелкованию. Создавать принципиально новые аллели или использовать новые гены в геноме свеклы можно с помощью мутагенеза, генной инженерии и геномного редактирования.

Мутагенез — фундаментальный метод для изучения структурнофункциональных характеристик гена, а также один из доступных приемов увеличения генетического разнообразия и получения новых перспективных селекционных форм, в частности сахарной свеклы (89).

Метод TILLING (the targeting-induced local lesions in genomes, целенаправленно индуцированные локальные повреждения в геномах) основан на получении с помощью ЭМС точечных мутаций с их последующей идентификацией и использованием полученных линий для изучения целевого гена методом обратной генетики (90).

U. Hohmann с соавт. (91) с помощью ЭМС-индуцированного мутагенеза создали коллекцию линий сахарной свеклы на основе раннецветущей линии 930190. В экспериментах с использованием мутантных линий были выявлены локусы B2 , B3 , B4 и B5 (62, 63, 85). Построена модель взаимодействия между белками BvBTС1 и BvBBX19 (47, 49), получен новый аллель BvBBX19h (49). S.L. Frerichmann с соавт. (92) методом EcoTILLING с применением рестриктазы CEL I для поиска мутаций детектировали 20 молчащих SNP и один несинонимичный SNP в генах BTC1 , BvFL1 и BvFT1 , в результате чего было получено 55 гаплотипов. Также авторы обнаружили ассоциации нуклеотидного полиморфизма в BvFL1 с подзимним стрелкованием и зимостойкостью.

Еще один подход к улучшению сахарной свеклы — создание трансгенных растений. С целью изучения влияния гормонального статуса на стрелкование и цветение E. Mutasa-Gottgens с соавт. (43) получили трансгенные линии сахарной свеклы с генами гормонального метаболизма фасоли и арабидопсиса. Трансгенная линии сахарной свеклы с геном фасоли PcGA2ox1, участвующим в деградации биологически активных форм ГК, требовала дополнительных 20 сут для перехода к стрелкованию, имела карликовый фенотип и была стерильной, однако мужскую фертильность удалось восстановить опрыскиванием ГК. Трансген арабидопсиса gai, представляющий собой аллельный вариант белка DELLA, лишенный DELLA-домена и слабо чувствительный к ГК, вызвал задержку стрелкования у растения сахарной свеклы на 11-14 сут при сохранении фертильности (43).

Геномное редактирование позволяет создавать новые аллели на основе существующих генов, при этом полученные растения не несут трансгенов. К настоящему времени имеется только одно сообщение о CRISPR/Cas9 редактировании сахарной свеклы в связи с устойчивостью к вирусу курчавости верхушки свеклы (beet curly top virus) (93). Поскольку аллельные варианты, которые приводят к формированию двухлетнего фенотипа, требующего яровизации, возникают в результате нарушения функциональности белков, участвующих в переходе к стрелкованию и цветению, геномное редактирование как инструмент получения нефункциональных аллелей перспективно для создания форм сахарной свеклы, устойчивых к цветушности.

Подводя итоги, следует отметить, что свекловодство остается одной из наиболее востребованных, наукоемких, технологически и организационно сложных отраслей. Проблема импортозамещения семенного и сортового материала сахарной свеклы требует эффективного взаимодействия между представителями различных научных направлений. Сочетание современных агротехнических, биотехнологических, молекулярно-генетических методов (включая геномику и эпигеномику, транскриптомику, метаболомику и протеомику), speed breeding технологий и методов классической селекции при создании и выращивании гибридов сахарной свеклы повысит их продуктивность и качество производимого отечественного семенного материала. Перспективными приемами представляются яровизация семян в материнском растении и биотехнологический метод спасения эмбрионов.

Таким образом, цветушность — это проблема, с которой сталкиваются многие производители корнеплодов сахарной свеклы. Наиболее эффективным решением служит получение генотипов, у которых устойчивость к цветушности сочетается с комплексом других полезных признаков (урожайность, сахаристость, устойчивость к абиотическим и биотическим стрессам в период вегетации, односемянность/раздельноплодность, лежкоспособ-ность, технологические качества и т.д.). Использование сортов, рекомендованных для конкретной зоны, и соблюдение регламентов их возделывания, включая обработку семян, позволяет избежать зацветания растений при выращивании на корнеплод. Цветушность представляет собой сложное природное явление, физиологические и молекулярно-генетические механизмы которого продолжают изучать. Их понимание и оценка генетических коллекций возделываемых сортов и дикорастущих видов позволит выявлять и получать новые аллели устойчивости к цветушности. При создании гаплотипов, пригодных для селекции, наряду с классическим мутагенезом может применяться геномное редактирование. Необходимо продолжить изучение аллельного разнообразия генов, регулирующих переход к цветению, и поиск ценных нуклеотидных полиморфизмов с помощью геномной селекции. Следует уделить особое внимание технологии ускоренной селекции (speed breeding), которая позволяет получать семенной материал в контролируемых условиях благодаря способности сахарной свеклы формировать цветоносный побег из розетки под влиянием яровизации и длинного светового дня.